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DRENAJE-Y-SUBDRENAJE-EN-CARRETERAS
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0 TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE I N G E N I E R O C I V I L PRESENTAN: MARÍN HERNÁNDEZ ELIZABETH PÉREZ CALLEJAS IVETTE MARELI ASESOR: JUANA JUÁREZ MICETE México D. F. AGOSTO, 2014. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA. UNIDAD ZACATENCO. DRENAJE Y SUBDRENAJE EN CARRETERAS DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS AGRADECIMIENTOS. A mis padres con todo mi cariño y mi amor que hicieron todo en la vida para que yo pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que el camino se terminaba y la fuerza necesaria cuando estoy sin vitalidad; gracias (Icela Hernández Álvarez y José Luis Marín Cabrera). A mis hermanos por ser mis guías Patricia, José Luis, Ma. Félix, Tomas, gracias por ayudarme a recorrer este camino que no es difícil pero si muy tedioso. A mis maestras por su gran apoyo, dirección, paciencia, entrega y motivación con sus palabras de aliento para la elaboración de esta tesis. CON RESPECTO Y ADMIRACIÓN GRACIAS SERES QUERIDOS GRACIAS AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS Mi tesis la dedicó con todo mi amor y respeto. A ti mamá y papá (Cirila Callejas Hernández y Delfino Pérez Díaz) porque creyeron en mí y me sacaron adelante, dándome ejemplos dignos de superación y entrega, porque en gran parte gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzada mí meta, la cual constituye la herencia más valiosa que pude recibir. Este trabajo es para ustedes ya que estuvieron impulsándome en todo momento a lo largo de mi carrera, y porque el orgullo que sienten por mí, fue lo que me hizo ir hasta el final. A mis hermanos Oscar, Carlos, Delfino y Lupita gracias por brindarme su apoyo, consejos y sobre todo por ser un claro ejemplo a seguir como persona y profesionista. A mí cuñado por influir con sus lecciones, experiencias y su apoyo incondicional. Sobrinos Adrián, Juan, Monse y Michelle los quiero mucho y más que verlos como sobrinos saben que son mis hermanitos, gracias por siempre verme como un ejemplo a seguir y por compartir conmigo estos momentos tan felices. GRACIAS AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL POLITÉCNICO POR CONVICCIÓN Y NO POR CIRCUNSTANCIA. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS i ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL .............................................................................................................. i INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... vi ANTECEDENTES .............................................................................................................. ix MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... xiii METODOLOGÍA .............................................................................................................. xvi CAPÍTULO I: DRENAJE SUPERFICIAL ....................................................................... 1 I.1. Obras provisionales de drenaje ........................................................................................ 4 I.2. Drenaje Longitudinal........................................................................................................ 4 I.2.1. Elementos de canalización ..................................................................................... 5 I.2.1.1. Cunetas ...................................................................................................... 5 I.2.1.1.1. Cuneta de coronación de desmonte ......................................... 6 I.2.1.1.2. Cuneta de coronación del terraplén ......................................... 6 I.2.1.1.3. Cuneta de pie del terraplén ...................................................... 6 1.2.1.1.4. Área hidráulica necesaria ........................................................ 9 I.2.1.1.5. Sección, pendiente y elevación del fondo ............................. 10 I.2.1.1.6. Longitud de la estructura ........................................................ 11 I.2.1.1.7. Proyecto constructivo ............................................................ 11 I.2.2. Elementos de desagüe ......................................................................................... 12 I.2.2.1. Caces y sumideros .................................................................................. 13 I.2.2.1.1. Dimensionamiento .................................................................. 16 I.2.3. Elementos de evacuación .................................................................................... 19 I.3. Drenaje Transversal ....................................................................................................... 20 I.3.1. Premisas para el estudio ..................................................................................... 21 I.3.2. Alcantarillas ........................................................................................................ 22 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS ii I.3.2.1. Elección del tipo de alcantarilla .............................................................. 23 I.3.2.2. Materiales ............................................................................................... 24 I.3.2.3. Recomendaciones y factores a tomar en cuenta para el diseño de una alcantarilla ........................................................................................................................... 24 I.3.2.4. Diseño hidráulico .................................................................................... 25 I.3.2.5. Borde libre .............................................................................................. 32 I.3.2.6. Socavación local a la salida de la alcantarilla ......................................... 33 I.3.2.7. Mantenimiento y limpieza ...................................................................... 34 I.3.2.8. Abrasión .................................................................................................. 34 I.3.2.9. Corrosión ................................................................................................ 34 I.3.2.10. Seguridad y vida útil .............................................................................. 35 I.3.3. Badenes ............................................................................................................... 36 I.3.3.1. Material sólido de arrastre ..................................................................... 37 I.3.3.2. Protección contra la socavación ............................................................. 37 I.3.3.3. Pendiente longitudinal del badén .......................................................... 38 I.3.3.4. Pendiente transversal del badén ............................................................ 38 I.3.3.5. Borde libre ............................................................................................ 38 I.3.3.6. Diseño hidráulico .................................................................................. 38 I.3.4. Vados .................................................................................................................. 40 I.3.5. Puentes ................................................................................................................ 41 CAPÍTULO II: DRENAJE SUBTERRÁNEO ................................................................ 44 II.1. Condiciones generales .................................................................................................44 II.1.1. Drenes subterráneos .......................................................................................... 44 II.1.2. Relleno de zanjas .............................................................................................. 45 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS iii II.1.3. Cajas de registro y buzones .............................................................................. 47 II.2. Tipos de subdrenajes ................................................................................................... 49 II.2.1. Capa permeable ................................................................................................ 50 II.2.2. Subdrenes longitudinales ................................................................................... 52 II.2.2.1. Tubería de los subdrenes longitudinales ............................................. 55 II.2.2.2. Condiciones mecánicas ....................................................................... 56 II.2.2.3. Diseño hidráulico del subdrén longitudinal ......................................... 57 II.2.2.3.1. Determinación del flujo de descarga .................................... 57 II.2.2.4. Tubería de descarga ............................................................................. 63 II.2.3. Subdrén transversal ........................................................................................... 65 II.3. Características de los suelos que influyen en el drenaje .............................................. 67 II.3.1. Resistencia a la deformación ............................................................................ 67 II.3.2. Compresibilidad ................................................................................................ 68 II.3.3. Elasticidad ......................................................................................................... 69 II.3.4. Permeablidad .................................................................................................... 69 II.3.4.1. Pruebas de permeabilidad .................................................................... 70 II.3.5. Capilaridad ........................................................................................................ 71 II.4. Métodos de subdrenaje para la estabilización de deslizamientos ................................ 73 II.4.1. Cortinas impermeables ..................................................................................... 73 II.4.1.1. Zanja de “Slurry” ................................................................................. 75 II.4.1.2. Cortinas de geomembrana ................................................................... 76 II.4.1.3. Cortinas de inyecciones ....................................................................... 76 II.4.1.4. Cortinas mezcla de suelo con cemento ............................................... 77 II.4.2. Colchones de drenaje ........................................................................................ 78 II.4.3. Trincheras estabilizadoras ................................................................................. 79 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS iv II.4.4. Galerías de drenaje ............................................................................................ 79 II.4.5. Pozos verticales de drenaje .............................................................................. 81 II.4.5.1. Pozos verticales con subdrenes de penetración ................................... 82 II.4.5.2. Pozos interconectados ......................................................................... 83 II.4.5.3. Pozos con drenaje por sifón ................................................................ 84 II.4.5.4. Geodrenes verticales ............................................................................ 84 II.4.6. Pantallas de drenaje .......................................................................................... 85 CAPÍTULO III: GEOTEXTILES .................................................................................... 87 III.1. Uso de geotextiles en el subdrenaje ........................................................................... 87 III.1.1. Polímeros para geotextiles .............................................................................. 88 III.1.2. Estructuras de geotextiles ............................................................................... 89 III.1.2.1. No tejidos ........................................................................................... 89 III.1.2.2. Tejidos ................................................................................................ 89 III.1.3. Ventajas en el uso de los geotextiles .............................................................. 90 III.1.4. Aplicaciones de geotextiles no tejidos en caminos ........................................ 90 III.1.5. Aplicaciones de geotextiles no tejidos en los suelos base de caminos ........... 92 III.1.5.1. Separación ............................................................................................. 92 III.1.5.2. Refuerzo (Suelos blandos) .................................................................... 92 III.1.5.3. Filtración ............................................................................................... 93 III.1.6. Uso de geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos sobre suelos blandos .............................................................................................. 93 III.1.6.1. Beneficios ............................................................................................. 94 III.1.6.2. Uso de geotextil no tejido para estabilización y separación de caminos ................................................................................................ 94 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS v III.1.7. Pasos de diseño de caminos no pavimentados y pavimentados usando geotextil ......................................................................................................................... 95 III.1.8. Lineamientos de instalación del geotextil no tejido ....................................... 95 III.1.9. Geotextiles no tejidos usados en sobre carpetas asfálticas ............................. 97 III.1.9.1. Funciones del geotextil ......................................................................... 97 III.1.9.2. Ventajas ................................................................................................. 97 III.2. Filtración .................................................................................................................... 97 III.2.1. Factores a considerar para aplicaciones de filtración ...................................... 98 III.2.2. Ejemplos de usos de filtros geotextiles no tejidos en caminos ........................ 99 CONCLUSIONES ............................................................................................................. xv RECOMENDACIONES ................................................................................................. xviii BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... xix GLOSARIO DE TÉRMINOS ........................................................................................... xx ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................... xxii ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................... xxv ANEXO A. PRUEBA DE PERMEABILIDAD EN LABORATORIO. ANEXO B. VALORES DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDADDE MANNING. DRENAJEY SUBDRENAJE DE CARRETERAS vi INTRODUCCIÓN. Desde el principio de la existencia del ser humano ha tenido la necesidad por comunicarse, por lo cual fue desarrollando diversos métodos para la construcción de caminos. La tecnología del drenaje y subdrenaje ha progresado mucho desde los subdrenes franceses de inicio del siglo XX. Por lo tanto el ingeniero posee varias alternativas y combinaciones para el control, tanto del agua superficial como el agua subterránea. Es por ello que el diseño y construcción de un sistema de drenaje requiere la realización de estudios del clima, suelo e hidrología. El drenaje tiene como propósito la preservación de la carretera, debido a la función social y económica que presenta y el elevado precio de construcción; la prevención del impacto negativo que presenta al ambiente con la reducción al mínimo de los cambios al patrón de drenaje natural y disminución de la acción erosiva producida por el cambio de cauce de su transporte. La estructura de trabajo es la siguiente: Capítulo I. En este capítulo se refiere al conjunto de obras destinadas a la recogida de aguas pluviales, su canalización y evacuación a los cauces naturales, sistema de alcantarillado o a la capa freática del terreno, se divide en dos grupos que es el drenaje longitudinal y el drenaje transversal. Capítulo II. En este capítulo se refiere de los tipos de subdrenaje que se instalan dentro de la estructura del pavimento para drenar el agua así mismo como características del suelo que influyen en el subdrenaje. Capítulo III. En este capítulo se refiere a la implementación de geotextiles en el drenaje o subdrenaje, además de su diversidad y las ventajas que se obtienen al usarlos en las carreteras. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS vii OBJETIVO. El objetivo del drenaje en los caminos, en primer término es; el reducir al máximo posible la cantidad de agua que de una u otra forma llega al mismo y en segundo término dar salida rápida del agua que llega al camino. Para que un camino tenga un buen drenaje debe evitarse que el agua circule en cantidades excesivas provocando la destrucción del pavimento y originando la formación de baches, así como también que el agua que debe escurrir por las cunetas, se estanque y reblandezca las terracerías originando pérdidas de estabilidad de las mismas con sus consiguientes asentamientos perjudiciales. Debe evitarse también que los cortes, formados por materiales de mala calidad, se saturen de agua con peligro de derrumbes ó deslizamientos según el tipo de material del corte, y debe evitarse, que al agua subterránea reblandezca la sub-rasante con el peligro que este implica. El prever un buen drenaje es uno de los factores más importantes en el proyecto de un camino y por lo tanto debe preverse desde la localización misma tratando de alojar siempre el camino sobre suelos estables, permanentes y naturalmente drenados. Sin embargo, debido a la necesidad de un alineamiento determinado, el camino puede atravesar suelos variables, permeables e impermeables, obligando a ello la construcción de obras de drenaje de acuerdo con las condiciones requeridas. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS viii JUSTIFICACIÓN. La elaboración de esta tesis considera como objetivo principal, dar al lector un conocimiento más amplio de las características, condiciones y métodos que se emplean en la construcción del drenaje y subdrenaje. HIPÓTESIS. ¿Será posible que con los elementos de drenaje y subdrenaje se tenga un buen funcionamiento y durabilidad en la estructura de la carretera? DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS ix ANTECEDENTES. 1 Parte importante de las fallas que más comúnmente suelen afectar la obra básica, están estrechamente relacionadas con la respuesta de los suelos al ser expuestos a contenidos de humedad que varían dentro de rangos más o menos amplios. Asimismo, el comportamiento de los pavimentos está fuertemente ligado al contenido de agua en las diversas capas de la estructura. Las cargas que circulan por los caminos son, en última instancia, soportadas por la obra básica, normalmente conformada por suelos con algún grado de selección, en el caso de terraplenes, y por suelos naturales en las secciones en corte. Asimismo, las capas estructurales no ligadas (bases y sub-bases), que también soportan parte importante de las solicitaciones a que está sometida la ruta, son igualmente suelos. Las propiedades de los suelos, en especial las de aquéllos con altos contenidos de finos, son extremadamente sensibles al grado de saturación. Al variar la humedad los suelos sufren cambios de volumen, cambia la cohesión y experimentan alteraciones en la estabilidad mecánica, de manera que, en la medida que se logre mantener la humedad dentro de un rango más o menos estrecho, el camino mantendrá una capacidad de soporte más uniforme y estará menos expuesto a los daños que pueden originarse en condiciones ambientales extremas. Los sistemas de drenaje bien diseñados permiten controlar la cantidad de agua presente en los suelos y, en consecuencia, disminuir las probabilidades de fallas imprevistas. El agua penetra de muchas formas en los suelos que integran la obra básica (subrasante) y capas estructurales del camino, siendo las principales las siguientes: 1 Manual de Carreteras; Mantenimiento Vol. 7 – Carlos Cruz Lorenzen , 2000. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS x •Baches y grietas en el pavimento asfáltico. •Juntas y grietas no selladas o con el sello en mal estado, en pavimentos de hormigón. •Junta abierta entre el pavimento y las bermas. •Sistemas de drenaje de la plataforma insuficientes o en mal estado. •Bermas y carpetas de rodado sin revestir o con revestimientos en mal estado. •Escurrimientos de aguas desde zonas laterales, cuando se carece de elementos interceptores (fosos, contrafosos, cunetas, etc.), o ellos se encuentran obstruidos. •Alcantarillas obstruidas o que filtran. •Ascenso de agua por capilaridad. • Napas subterráneas. El agua no sólo afecta la obra básica, muchas veces conformada por suelos finos, sino que también tiene un efecto adverso en las capas no ligadas que conforman la estructura del camino. A modo de ejemplo se incluyen a continuación tres casos típicos de suelos muy afectados por un alto contenido de humedad. Las sub-bases de los pavimentos de hormigón están normalmente constituidas por suelos granulares bien graduados y, por lo tanto, menos susceptibles a las variaciones de humedad. A pesar de ello, cuando alcanzan la saturación, se suele producir el fenómeno conocido como “surgencia de finos”, por el cual el tránsito, al inducir presiones sobre las losas, expulsa agua con finos desde la sub-base hacia la superficie; serias erosiones del material de la sub-base, con lo que pierde parte de su capacidad resistente y la uniformidad del soporte. Donde se produce este fenómeno los pavimentos colapsan muy rápidamente. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS xi En presencia de agua ciertos suelos finos experimentan una significativa expansión, la que llega a originar deformaciones importantes en la rasante. Normalmente se procura evitar que suelos de estas características queden en los estratos superiores de la obra básica; cuando ello no es posible se deben realizar diseños especiales basados en estudios que consideren esa característica. Existen suelos que, al variar el contenido de humedad, sufren cambios en el nivel de compactación a que se encuentran; la menor densidad involucra menor capacidad para soportar las solicitaciones que se les imponen. El casomás extremo de este fenómeno se produce cuando esos suelos, (suelos heladizos), se encuentran en zonas donde la temperatura suele descender por debajo del punto de congelamiento; allí la pérdida de compacidad puede llegar a ser extremadamente importante y significar el colapso de extensas áreas del pavimento. En términos generales la resistencia de los suelos está fuertemente relacionada con su contenido de humedad; al aumentar el grado de saturación disminuye la resistencia. En consecuencia, la más alta probabilidad que se produzca una falla se encuentra en el período durante el cual los suelos presentan su mayor contenido de humedad, es decir, durante las precipitaciones y por el tiempo que se demoran en evacuar las aguas absorbidas. Recientes estudios realizados en el exterior, y ratificados en el país, han permitido comprobar dos condiciones relacionadas con el drenaje que conviene tener presente: Cuando una carretera dispone de un drenaje adecuado, el contenido de humedad de los suelos que conforman la obra básica varía dentro de márgenes bastante estrechos a lo largo del año, aún en zonas donde existe una marcada diferencia estacional de precipitaciones. Esta humedad, a veces denominada humedad de equilibrio, no es igual en toda una zona de condiciones ambientales similares, pues ella depende también de las propiedades del suelo. Esto permite concluir que, disponiendo de un drenaje adecuado, las características del soporte de la sub-rasante son bastante constantes durante toda la vida útil de la obra. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS xii Existe una relación directa entre el mejor comportamiento de un pavimento y la mayor velocidad con que se logra evacuar el agua que, durante las precipitaciones, ingresa a las capas no ligadas, (bases y sub-bases). El método de diseño AASHTO considera en forma muy especial esta condición, para la que dispone de coeficientes adecuados (coeficientes de drenaje), que hacen variar los espesores de las capas de la estructura de acuerdo con las características del drenaje de esos elementos. En resumen, cuando una ruta dispone de un sistema de drenaje adecuado, suficiente y que opera correctamente, disminuye substancialmente la probabilidad de fallas y de otros efectos adversos que contribuyan a acortar su vida útil. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS xiii MARCO TEÓRICO. DRENAJE SUPERFICIAL. ASPECTOS GENERALES. El sistema de drenaje de una carretera tiene esencialmente dos finalidades: Preservar la estabilidad de la superficie y del cuerpo de la plataforma de la carretera eliminando el exceso de agua superficial y la subsuperficial con las adecuadas obras de drenaje. Restituir las características de los sistemas de drenaje y/o de conducción de aguas (natural del terreno o artificial construida previamente) que serían dañadas o modificadas por la construcción de la carretera y que sin un debido cuidado en el proyecto, resultarían causando daños, algunos posiblemente irreparables en el medio ambiente. Las aguas pluviales caídas sobre la calzada sobre los desmontes adyacentes a la misma – en el caso de que existan – hacen necesario disponer elementos específicos destinados a recoger y canalizar tanto longitudinal como transversalmente dichas precipitaciones. El drenaje es uno de los factores más importantes en el diseño y construcción de Carreteras, tiene por objeto alejar las aguas de la carretera, para evitar la influencia negativa de las mismas sobre su estabilidad y transitabilidad, así como para reducir los gastos de la conservación. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS xiv El adecuado drenaje es esencial para evitar la destrucción total o parcial de una carretera y reducir los impactos indeseables al ambiente debido a la modificación de la escorrentía a lo largo de éste. DRENAJE SUBTERRÁNEO. El drenaje subterráneo tiene como principal misión controlar y limitar la humedad de la explanada, así como de las diversas capas que integran el firme de una carretera. Para ello deberá cumplir las siguientes funciones: - Interceptar y desviar corrientes subterráneas antes de que lleguen al lecho de la carretera. - En caso de que el nivel freático sea alto, debe mantenerlo a una distancia considerable del firme. - Sanear las capas de firme, evacuando el agua que pudiera infiltrarse en ellas. ELEMENTOS DE DRENAJE SUBTERRÁNEO. Las recomendaciones para el proyecto y construcción del drenaje subterráneo en obras de carretera establecen que el proyecto deberá definir con el nivel de detalle que en cada caso proceda, los sistemas de drenaje subterráneo a disponer, justificando convenientemente su elección y adecuación a cada caso. Se definen a continuación una serie de criterios básicos relativos a los elementos de drenaje subterráneo de más frecuente utilización en obras de carretera. Algunos de ellos son específicos en este tipo de trabajos, mientras que otros son de uso más general; en este último caso se han reflejado los principales aspectos de aplicación dentro del ámbito de este documento. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS xv GEOTEXTILES. El principal geosintético empleado en esta tesis es el geotextil sus funciones principales: - Impedir contaminación entre capas de la estructura por el efecto de las cargas dinámicas y el arrastre del agua. - Resistir los esfuerzos de tensión del material disminuyendo los espesores de diseño y los volúmenes de movimiento de tierras. - Evitar el taponamiento por colmatación de estructuras de drenaje. - Evitar la aparición de grietas por reflexión en la capa de rodadura al actuar como una interfase de separación entre la capa de rodadura nueva y la capa antigua fisurada. - Reducir el espesor de las capas estructurales del pavimento. - Reducir la formación de huellas y fallas por esfuerzos cortante y asentamientos diferenciales en el pavimento. - Conferir mayor durabilidad de la estructura del pavimento. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS xvi METODOLOGÍA. Para la elaboración de la presente tesis, se procedió a la elección de un tema después de analizar varias posibilidades, se eligió el tema sobre el drenaje y subdrenaje de las carreteras. La introducción pretende dar a conocer al lector la necesidad de tener un drenaje y subdrenaje en carreteras y así mismo conocer los objetivos de nuestra investigación. Para la justificación de la presente tesis fueron tomados en cuenta todas las condiciones y métodos que se emplean en la construcción del drenaje y subdrenaje así como estudiar y comprender el diseño de la construcción de la carretera. El marco teórico de esta investigación toma su forma, al contar con estudios y teorías relacionas con el mejoramiento y estabilidad del drenaje superficial y subterráneo, así como los geosintéticos (geotextil). Para finalizar se estableció el orden de los temas abordados en nuestra investigación. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 1 CAPÍTULO I. DRENAJE SUPERFICIAL. Se define sistema de drenaje de una vía como el dispositivo específicamente diseñado para la recepción, canalización y evacuación de las aguas que puedan afectar directamente a las características funcionales de cualquier elemento integrante de la carretera. Dentro de esta amplia definición se distinguen diversos tipos de instalaciones encaminadas a cumplir tales fines, agrupadas en función del tipo de aguas que pretenden alejar o evacuar, o de la disposición geométrica con respecto al eje de la vía: Drenaje Superficial: Conjunto de obras destinadas a la recogida de las aguas pluviales o de deshielo, su canalización y evacuacióna los cauces naturales, sistemas de alcantarillado o a la capa freática del terreno. Se divide en dos grupos: - Drenaje longitudinal: Canaliza las aguas caídas sobre la plataforma y taludes de la explanación de forma paralela a la calzada, restituyéndolas a sus cauces naturales. Para ello se emplean elementos como las cunetas, caces, colectores, sumideros, arquetas y bajantes. - Drenaje transversal: Permite el paso del agua a través de los cauces naturales bloqueados por la infraestructura vial, de forma que no se produzcan destrozos en esta última. Comprende pequeñas y grandes obras de paso, como puentes o viaductos. Drenaje Subterráneo: Su misión es impedir el acceso del agua a capas superiores de la carretera específicamente al firme, por lo que debe controlar el nivel freático del terreno y los posibles acuíferos y corrientes subterráneas existentes. Emplea diversos tipos de drenes subterráneos, arquetas y tuberías de desagüe. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 2 Criterios de diseño. A la hora de proyectar el drenaje de una carretera deben tenerse presentes una serie de factores que influyen directamente en el tipo de sistema más adecuado, así como en su posterior funcionalidad. Las más destacables son: Factores Topográficos: Dentro de este grupo se engloban circunstancias de tipo físico, tales como la ubicación de la carretera respecto del terreno natural contiguo en desmonte, terraplén o a media ladera, la tipología del relieve existente llano, ondulado, accidentado o la disposición de sus pendientes en referencia a la vía. Factores hidrológicos: Hacen referencia al área de la cuenca de recepción y aporte de aguas superficiales que afecta directamente a la carretera, así como a la presencia, nivel y caudal de las aguas subterráneas que pueden infiltrarse en las capas inferiores del firme. Factores geotécnicos: La naturaleza y características de los suelos existentes en la zona condiciona la facilidad con la que el agua puede llegar a la vía desde su punto de origen, así como la posibilidad de que ocasione corrimientos o una erosión excesiva del terreno. Las propiedades a considerar son aquellas que afectan a su permeabilidad, homogeneidad, estratificación o compacidad, influyendo también la existencia de vegetación. Una vez considerados estos factores se procede al diseño de la red de drenaje, que deberá cumplir los siguientes objetivos: - Evacuar de manera eficaz y lo más importante posible el agua caída sobre la superficie de rodadura y los taludes de la explanación contiguos a ella. Por supuesto, deberán evitar la inundación de los tramos más deprimidos de la vía. - Alejar del firme el agua freática, así como los posibles acuíferos existentes, empleando para ello sistemas de drenaje profundo. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 3 - Prestar especial atención a los cauces naturales, tales como barrancos o ramblas, disponiendo obras de fábrica que no disminuyan su sección crítica para periodos de retorno razonables. Debe recordarse que las avenidas son la principal causa mundial de destrucción de puentes. - No suponer un peligro añadido para la seguridad del conductor, empleando para ello taludes suaves y redondeando las aristas mediante acuerdos curvos, evitando así posibles accidentes adicionales. - También debe cuidarse el aspecto ambiental, procurando que produzca el menor daño posible al entorno. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 4 DRENAJE SUPERFICIAL. El drenaje superficial es el que tiende a eliminar el agua que circula sobre el terreno o la carretera, proveniente directamente de la lluvia, escurrideros naturales o aguas almacenadas. El objetivo principal del drenaje superficial es mejorar la estabilidad del talud reduciendo la infiltración y evitando la erosión. El sistema de recolección de aguas superficiales debe captar la escorrentía, tanto del talud como de la cuenca de drenaje arriba del talud y llevar el agua a un sitio seguro, lejos del talud que se va a proteger. El agua de escorrentía debe, en lo posible, desviarse antes de que penetre el área del deslizamiento o se infiltre en dirección al talud. Por otro lado, el agua de las lluvias que cae directamente sobre la superficie del talud, debe ser evacuada lo más rápidamente posible, evitando al mismo tiempo que su paso cause daños por acción de la erosión, almacenamiento e infiltración. I.1. OBRAS PROVISIONALES DE DRENAJE. Algunas veces, es importante la construcción de medidas temporales de drenaje superficial después de ocurrido un deslizamiento, para evitar su ampliación o aceleración. Estas obras pueden consistir en diques o canales de tierra, mampostería, concreto o bolsas de polipropileno o fibras vegetales rellenas de suelo, sellado de grietas con arcilla, mortero o asfalto para reducir la infiltración y cubrir el terreno (temporalmente) con plásticos. I.2. DRENAJE LONGITUDINAL. El drenaje longitudinal deberá proyectarse como una red o conjunto de redes que recoja el agua de escorrentía superficial procedente de la plataforma de la carretera y de los márgenes que viertan hacia ella y la conduzca hasta un punto de desagüe, restituyéndolas a su cauce natural. Es decir actúa como by- pass, ofreciendo al agua un camino alternativo para que no interfiera con la carretera. Para evitar el impacto negativo de la presencia del agua, en la DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 5 estabilidad, durabilidad y transitabilidad, en esta sección se considerará los distintos tipos de obras necesarios para captar y eliminar las aguas que se acumulan en la plataforma de la carretera, las que pueden provenir de las precipitaciones pluviales y/o de los terrenos adyacentes. El sistema de drenaje longitudinal lo integran 3 tipos de dispositivos funcionales: - Elemento de canalización: Recogen las aguas pluviales. - Elementos de desagüe: Alivian el caudal de los anteriores, facilitando la salida de las aguas. - Elementos de evacuación: Conducen las aguas hasta su evacuación en un cauce natural. I.2.1. Elementos de canalización.2 En este apartado se describe la tipología y dimensionamiento de los diferentes elementos que se encargan de la canalización de las aguas en un drenaje longitudinal. I.2.1.1. Cunetas. Las cunetas son zanjas longitudinales revestidas o sin revestir abiertas en el terreno, ubicadas a ambos lados o a un solo lado de la carretera, con el objeto de captar, conducir y evacuar adecuadamente los flujos del agua superficial. Las cunetas pueden construirse de diferentes materiales en función de la velocidad de circulación del agua en su seno, magnitud que depende directamente de la inclinación longitudinal de la cuneta, que suele coincidir con la adoptada para la vía. 2 Manual de Carreteras; Elementos Proyecto 1- Luis Bañon Blázquez, 2000. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 6 Una velocidad superior a la tolerable por el material causaría arrastres y erosiones del mismo, reduciendo la funcionalidad de la cuneta. Así, para bajas velocidades no es necesario efectuar ningún revestimiento, mientras que si ésta supera los 4.5 m/s. es necesario revestir las paredes de hormigón. Otras disposiciones propias de las cunetas son: I.2.1.1.1. Cuneta de coronación de desmonte. Se coloca en la parte más alta del desmonte para evitar la erosión y arrastre de materiales que conforman el talud, así como para aliviar parte del caudal que debería recoger la cuneta principal, interceptando la escorrentía de las laderas circundantes. I.2.1.1.2. Cuneta de coronación del terraplén. Al igual que las anteriores, evitan que el agua recogida por la calzada penetre en eltalud, lo que podría ocasionar arrastres e incluso el desmoronamiento parcial del terraplén. Son de menor tamaño, ya que únicamente deben evacuar el agua recogida en el firme. I.2.1.1.3. Cuneta de pie del terraplén. Su misión es recoger las aguas que caen sobre el talud del terraplén y sobre el terreno circundante, sobre todo si su pendiente vierte hacia el propio relleno, ya que podría llegar a erosionar gravemente la base del mismo (figura 1.1), ubicación de los distintos sistemas de recogida de aguas pluviales. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 7 Figura 1.1. Ubicación de los distintos sistemas de recogida de aguas pluviales (Blázquez, Luis Bañón, 2000). Existen diversos tipos de secciones empleadas en la construcción de cunetas. Si bien es cierto que existen algunas secciones hidráulicamente mejores que otras, no es éste el único cometido que debe procurar la geometría de una cuneta. Sus parámetros de diseño son los siguientes: - Sección hidráulica apropiada para la evacuación del caudal máximo previsto para el correspondiente período de retorno, que normalmente se toma entre 5 y 20 años. - Garantizar la seguridad de los vehículos que accidentalmente abandonen la vía y penetren en la cuneta. A este efecto, deben evitarse secciones con pendientes abruptas y puntos angulosos, ya que pueden provocar el vuelco del vehículo. Si no puede garantizarse este aspecto, deben protegerse mediante barreras de contención, generalmente biondas. - Durabilidad de la infraestructura, empleando materiales adecuados y procurando una cuidada ejecución, de forma que se mantenga operativa con los mínimos costos de mantenimiento y reparación. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 8 - Simplicidad geométrica, de forma que su ejecución sea rápida, barata y eficaz. Actualmente, se emplean dos tipos de secciones: las triangulares denominadas en V y las trapeciales, representadas simbólicamente con la letra T. Las aristas vivas de dichas secciones deberán suavizarse con acuerdos de al menos 1.50m, de radio (figura 1.2), tipología general de cunetas (Blázquez, Luis Bañón, 2000). Figura 1.2. Tipología general de cunetas (Blázquez, Luis Bañón, 2000). DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 9 I.2.1.1.4. Área hidráulica necesaria. El área por drenar de las cunetas, generalmente se proyectan para que den capacidad a fuertes lluvias de 10 a 20 minutos de duración. Se considera proyectar las cunetas para que tomen del 70 al 80% de la precipitación pluvial de la mitad del ancho total del derecho de vía, sin embargo en algunos casos puedan llegarse al 100%. Las caracteristicas de la cuneta como son; la pendiente, las dimensiones, los taludes y otras, dependen del flujo de agua que conduzcan; dicho flujo se puede determinar con la fórmula para canales abiertos, con flujo uniforme (Manning): 𝑉 = 1 𝑛 𝑆1/2𝑅2/3 Dónde: V= Velocidad promedio m/s. n= Coeficiente de rugosidad, adimensional (Tabla 1.1). R= Radio Hidráulico, en m. S= Pendiente. Además: 𝑄 = 𝑉𝐴 = 𝐴 𝑛 𝑆1/2𝑅2/3 Dónde: Q= Gasto en m³/s. A= Área de la sección transversal del flujo en m². La tabla 1.1 presentalos valores representativos del coeficiente de rugosidad (n), para varios revestimientos de canales (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006). DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 10 Tabla 1.1. Distribución superficial de la cuenca por municipio. Fuente: (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006). I.2.1.1.5. Sección, pendiente y elevación del fondo. La tendencia es hacer cunetas tan pequeñas y poco profundas como sea posible, tanto para mayor seguridad como para mayor economía en la construcción y conservación. La practica actual de nuestro país es hacer cunetas en forma de V, suponiendo un tirante de agua de 30 cm y teniendo un talud 1:3 por el lado del camino y por el lado de afuera el talud natural (figura 1.3), cuneta tipo. Figura 1.3. Cuneta Tipo (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006). Tipo de revestimiento Valor de n Tierra ordinaria, nivelada y alisada 0.02 Roca partida o piedra tosca 0.04 Concreto áspero 0.02 Revestimiento bituminoso, tendiente a ondularse 0.02 Piedra lisa 0.02 Pasto bien mantenido-profundidad de flujo mayor a 15.24 cm 0.04 Pasto bien mantenido-profundidad de flujo menor a 15.24 cm 0.06 Pasto pesado 0.10 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 11 I.2.1.1.6. Longitud de la estructura. Una cuneta de las dimensiones indicadas, pueden servir satisfactoriamente en longitudes hasta de 600 ó 700 m., en terreno plano y de 300 ó 400 m. en terrenos de cierta pendiente. Estas longitudes se contaran desde una cresta hasta un desfogue, o bien desde una alcantarilla de alivio a otra. I.2.1.1.7. Proyecto constructivo. Para que se conserven con facilidad las secciones dadas a las cunetas, es necesario que la velocidad no pase de ciertos valores. La tabla 1.2. presenta los gastos y velocidades en las cunetas tipo para tirantes de agua de 30 cm con diferentes pendientes (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006). Tabla 1.2. Gastos y velocidades en las cunetas tipo para tirantes de agua de 30 cm con diferentes pendientes. Fuente: (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006). Pendiente de la cuneta en % Velocidad m/seg. Gasto en m³/seg. 1 0.60 0.110 2 0.90 0.117 3 1.10 0.200 4 1.30 0.240 5 1.50 0.270 6 1.60 0.300 7 1.70 0.320 8 1.80 0.340 9 2.00 0.370 10 2.10 0.400 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 12 La tabla 1.3.presenta las velocidades del agua con que se erosionan diferentes materiales (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006). Tabla 1.3. Velocidades del agua con que se erosionan diferentes materiales. Fuente: (Cruz Perez Jorge, Serrano Catañon Eric, 2006). Con la ayuda de estas tablas se puede saber, para distintas pendientes de las cunetas, cuando es necesario protegerlas contra la erosión. Ordinariamente no se necesita zampear cuando la velocidad no pasa de 1.20 m/seg. Cuando hay peligro de que la velocidad crezca demasiado se pueden poner muros interceptores a intervalos adecuados, pero este procedimiento suele ser más costoso, por eso se recomienda recubrir la cuneta con concreto o zampeados, o bien entubar el agua en los tramos especiales dificiles. I.2.2. Elementos de desagüe. Al fin de disminuir en la medida de lo posible caudales a evacuar, se disponen una serie de puntos de desagüe a lo largo del elemento de drenaje longitudinal normalmente cunetas de forma que las aguas se reintegren paulatinamente al medio natural causando el menor daño posible. Material Velocidad en m/seg. Arena fina 0.45 Arcilla arenosa 0.50 Arcilla ordinaria 0.85 Arcilla firme 1.25 Grava fina 2.00 Pizarra suave 2.00 Tepetate 2.00 Grava gruesa 3.5 Zampeado 3.4 a 4.5 Concreto 4.5 a 7.5 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 13 I.2.2.1. Caces y sumideros. Los caces es una franja estrecha situada longitudinalmente en los bordes de la calzada y cuyo cometido es recoger conducir las aguas superficiales y de escorrentía hasta un elemento de desagüe. Dado su reducido tamaño, se emplean únicamente para evacuar pequeños caudales, como los recogidos únicamente en la superficie de la calzada, o en zonas donde el espacio es limitado, como travesías y núcleos urbanos. Dada su reducida sección hidráulica, desaguan con cierta frecuencia a un colector mediante unos elementos de conexión denominadossumideros ó bajantes. Éstos suelen disponerse en general cada 25 ó 50 m. (figura 1.4), tipos de caces. Figura 1.4. Tipología de caces (Blázquez, Luis Bañón, 2000). Los caces desaguan con cierta frecuencia a un colector mediante unos elementos de conexión denominados sumideros o bajantes. Éstos suelen disponerse en general cada 25 ó 50 m., presentando diversas tipologías. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 14 Las zonas idóneas para efectuar el proceso de evacuación son, en función de la zona donde esté emplazada la vía, las detalladas en el siguiente esquema. La tabla 1.4. presenta las zonas adecuadas para el desagüe superficial (Luis Bañón Blázquez, 2000). La tabla 1.4. Las zonas adecuadas para el desagüe superficial. Entorno Elementos ZONA URBANA Núcleos de Población - Empleo de sumideros e imbornales en los márgenes de las aceras, conectados con el alcantarillado de la propia calle. - En grandes ciudades, colectores que desagüen a la red local de alcantarillado. - Sistemas separativos de aguas blancas y negras. ZONA SEMIURBANA Accesos a Ciudades - Empleo del alcantarillado, si éste existe. - Caso de no existir, puede desaguarse en cauces naturales cercanos, comprobando previamente su capacidad. - Cauces naturales acondicionados artificialmente con colectores de gran diámetro. ZONA RURAL Vías Interurbanas Fuera de poblado - Empleo de los cauces naturales por los que iría el agua si no existiera la carretera. - Cauces acondicionados para evitar fenómenos de erosión excesiva o soterramientos, disponiendo dispositivos disipadores de energía. - También suelen emplearse las obras de fábrica que cruzan la carretera: caños, pontones, tajeas, etc. - Si existen, pueden desaguarse en corrientes cercanas de agua: ríos, lagos, acuíferos, etc. Fuente: (Luis Bañón Blázquez, 2000). La distancia a la que deben situarse estos puntos de desagüe depende de varios factores, entre ellos el caudal transportando o en la sección del elemento de canalización longitud empleado. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 15 Los principales elementos de desagüe superficial empleados en carreteras son los sumideros e imbornales. Estos elementos permiten el desagüe de los dispositivos superficiales de drenaje cauces o cunetas, bien directamente al exterior (imbornales) o por medio de un colector (sumideros). De esta forma, las aguas vuelven a reintegrarse al cauce natural, o son desviadas a sistemas subterráneos de recogida, como la red de alcantarillado en los núcleos de población. En la elección del tipo y diseño de estos elementos deberán tenerse en cuenta, aun por encima de las consideraciones hidráulicas, factores de seguridad en la circulación y el posible peligro de su obstrucción por acumulación de sedimentos térreos o escombros procedentes de la plataforma y márgenes, lo que haría totalmente inútil su presencia. Los sumideros presentan diferentes tipologías, a saber: - Continuos: El desagüe se realiza de forma interrumpida a lo largo de toda la longitud de la vía. - Aislados: La evacuación de las aguas se localizan en determinados puntos, distinguiéndose tres clases de sumideros, en función de su orientación. - Horizontales: El desagüe se realiza por su fondo. - Laterales: El desagüe se realiza por su pared lateral vertical o cajero. - Mixtos: Combina los dos tipos anteriores. Los sumideros aislados situados en puntos bajos serán generalmente de tipo horizontal, a que poseen mayor capacidad de desagüe que los laterales, aunque pueden obstruirse más fácilmente. Por ello, para evitar la formación de balsas debe disponerse otro sumidero a 5 cm. de altura de aquél o reemplazarse el conjunto por un sumidero mixto. Asimismo, los emplazados en rasante inclinadas también suelen ser de tipo horizontal, interceptando en el fondo a la cuneta o caz, y con sus barras preferentemente orientadas en DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 16 la dirección de la corriente. Su capacidad de desagüe aumenta con su longitud y con el calado de la corriente aunque disminuye con la velocidad de la misma, que depende directamente de la pendiente longitudinal. Cada sumidero aislado deberá estar conectado a una arqueta, para así enlazar con el sistema de evacuación formado por los colectores (figura 1.5), tipos de sumideros horizontales empleados en carreteras. Figura 1.5. Tipos de sumideros horizontales empleados en carreteras (Luis Bañón Blázquez, 2000). I.2.2.1.1. Dimensionamiento. Para su dimensionamiento, debe hacerse una distinción entre los sumideros horizontales y los laterales, empleándose distintos métodos de cálculo para determinar su sección: a) Sumideros laterales: En este tipo de sumideros se puede aumentar su capacidad de desagüe aumentando su profundidad o su longitud (L), que en ningún caso deberá ser inferior a: 𝐿 ≥ 𝑇 ∗ √𝜌/2 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 17 Dónde: T= La anchura del elemento de recogida de aguas (caz o cuneta) en m. 𝜌 = La pendiente longitudinal del sumidero en tanto por cien (%). El máximo caudal que es capaz de desaguar se calcula aplicando dos fórmulas diferentes, según sea la relación entre el calado de la corriente (H) y la altura de la abertura (D). Si H ˂ 1.4*D → Fórmula del vertedero → 𝑄 = (𝐿∗√𝐻2) 60 Si H ≥ 1.4*D → Fórmula del orificio → 𝑄 = 300 ∗ 𝑆 ∗ √𝐻 − ( 𝐷 2 ) Dónde: Q = Es el caudal desaguado en l/s. H= Es la profundidad o calado del agua en cm. L= Es la anchura libre del sumidero en cm. D= Es la altura de la abertura medida en su centro, en cm. S= Es el área del sumidero en m². b) Sumideros horizontales: Para que sean capaces de interceptar todo el caudal que pase sobre él, será necesario que la longitud libre (L) de las barras no sea inferior a la indicada por la siguiente fórmula: Barras paralelas a la corriente → 𝐿 = 9 ∗ 𝑉 ∗ √𝐻 + 𝑑 ≤ 30 𝑐𝑚. Barras paralelas a la corriente → 𝐿 = 15 ∗ 𝑉 ∗ √𝐻 + 𝑑 Dónde: H= El calado del agua sobre las barras en cm. D= El diámetro o canto de una barra en cm. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 18 V= La velocidad del agua circulante por la sección de desagüe en m/s. Para calcular su capacidad de desagüe se emplean las mismas fórmulas empleadas para sumideros laterales, en función de la profundidad del agua: Si H ˂ 12 cm. → Fórmula del vertedero → 𝑄 = 𝐿∗ √𝐻3 60 (Se tomará el perímetro exterior de la rejilla como anchura libre). Si H ˃ 40 cm. → Fórmula del orificio → 𝑄 = 300 ∗ 𝑆 ∗ √𝐻 − ( 𝐷 2 ) Si 12 ≥ H ≤ 40 cm. → Interpolando lineal entre ambas fórmulas. c) Sumideros mixtos: Este tipo de elementos computarán a efectos hidráulicos únicamente su parte horizontal, calculándose de igual forma que los sumideros horizontales. La eficiencia de un sumidero se ve mermada con la pendiente longitudinal (J) del caz o cuneta, por lo que debe aplicarse un coeficiente de reducción (γ) de valor: 𝛾 = (1) 1 + 15 ∗ 𝐽 Calidad del desagüe de cada sumidero deberá ser tal que pueda absorber al menos el 70% del caudal de referencia que circule por la cuneta o el caz, sin que la profundidad o anchura de la corriente rebase su límite admisible (considerando un reguardo del 15%), a fin de permitir que, cuando un sumidero esté obstruido, el agua que no penetre en él pueda absorberse sin problemas en los siguientes aguas abajo (figura 1.6), elementos de un sumidero lateral. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 19 Figura 1.6. Elementos de un sumidero lateral (Luis Bañón Blázquez, 2000). I.2.3. Elementos de evacuación. Este grupo lo componen aquellos elementos destinados a conducirlas aguas desde el punto de desagüe hasta la zona donde serán definitivamente evacuados, bien sea reintegrándose en cauce natural o penetrando en un cauce artificial o en una red de alcantarillado. Básicamente se diferencian tres tipos de elementos, cuyas funciones son consecutivas y complementarias: bajantes, arquetas y colectores. Las bajantes son elementos encargados de canalizar las aguas desde el correspondiente elemento de desagüe, sumidero o imbornal hasta el sistema de canalización definitivo. Suelen construirse con piezas prefabricadas cerámicas o de hormigón en forma de artesa, solapándose unas con otras. También se emplean tubos de pequeños diámetros o, si el terreno lo permite, se excavan en él pequeños canales. Las arquetas, por su parte, son obras de fábrica que se encargan de recibir a las bajantes y enlazarlas con el colector general. Además, facilitan la inspección y conservación de los DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 20 dispositivos enterrados de desagüe, permitiendo su fácil limpieza y mantenimiento. Suelen colocarse regularmente a distancias no superiores a 50 m., así como en puntos críticos tales como confluencias de tubos, sumideros, drenes y subterráneos, etc. No se permitirá el uso de arquetas ciegas o no registrables. Los colectores suelen ser grandes tubos a donde van a parar las aguas recogidas por todos los sumideros y canalizadas por las bajantes. Suelen estar hechos de materiales resistentes y durables hormigón, fibrocemento o acero y se les exigen ciertas características que aseguren su resistencia a las presiones de trabajo y a las cargas exteriores, así como una relativa estanqueidad. Su cálculo se efectuará aplicando las expresiones para tubería en carga, fácilmente encontrables en cualquier manual de hidráulica. I.3. DRENAJE TRANSVERSAL. La presencia de una carretera interrumpe la continuidad de la red de drenaje natural del terreno laderas, vaguadas, cauces, arroyos, ríos, por lo que debe procurarse un sistema que restituya dicha continuidad, permitiendo su paso bajo la carretera en condiciones tales que perturben lo menos posible la circulación de agua a través de la citada red. Además las obras de drenaje transversal también se aprovechan para desaguar el caudal recogido por la plataforma y sus márgenes, y canalizado a través de las cunetas. El drenaje transversal de la carretera tiene como objetivo evacuar adecuadamente el agua superficial que intercepta su infraestructura, la cual discurre por cauces naturales o artificiales, en forma permanente o transitoria, a fin de garantizar su estabilidad y permanencia. El elemento básico del drenaje transversal se denomina alcantarilla, considerada como una estructura menor, su densidad a lo largo de la carretera resulta importante e incide en los costos, por ello, se debe dar especial atención a su diseño. Las otras estructuras que forman parte del drenaje transversal son el badén y el puente. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 21 El objetivo principal en el diseño hidráulico de una obra de drenaje transversal es determinar la sección hidráulica más adecuada que permita el paso libre del flujo líquido y flujo sólido que eventualmente transportan los cursos naturales y conducirlos adecuadamente, sin causar daño a la carretera y a la propiedad adyacente. I.3.1. Premisas para el estudio. Características topográficas.- Para el caso de obras de cruce menores (alcantarillas), el levantamiento topográfico realizado para la carretera, deberá cubrir aquellos sectores donde se emplazarán dichas obras, de tal manera que permita definir el perfil longitudinal del cauce tanto aguas arriba y aguas abajo de la sección de cruce. Estudio de cuencas hidrográficas.- Se refiere a la identificación de las cuencas hidrográficas que interceptan el alineamiento de la carretera, con el objetivo de establecer los caudales de diseño y efectos de las crecidas. Se deberá indicar la superficie, pendiente y longitud del cauce principal, forma, relieve, tipo de cobertura vegetal, calidad y uso de suelos, asimismo; los cambios que han sido realizados por el hombre, tales como embalses u otras obras de cruce que pueden alterar significativamente las características del flujo. Características del cauce.- Se refiere a las características del lecho, tales como forma, tipo de suelo, tipo de cobertura vegetal, tipo de material de arrastre, sólidos flotantes, fenómenos de geodinámica externa y otros factores que inciden en el tamaño y durabilidad de la obra de cruce. Evaluación de obras de drenaje existentes.- Antes de efectuar la evaluación de las obras de drenaje existentes, el proyectista debe conocer o tomar en cuenta lo siguiente: - Nivel de intervención sobre la vía en estudio, tomar en cuenta las conclusiones de los estudios de pre-inversión, para la coherencia del ciclo del proyecto de inversión. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 22 - Contar con las progresivas del proyecto en campo. - La evaluación hidráulica de las estructuras existentes, deberá ser complementada con las evaluaciones de un Especialista en Estructuras y Obras de arte, para las evaluaciones del estado estructural de los elementos de una obra de drenaje existente. - El resultado de la evaluación de las obras de drenaje será presentado en fichas técnicas de campo. La evaluación del comportamiento desde el punto de vista hidráulico estructural de estructuras ubicadas aguas arriba o aguas abajo de la estructura proyectada es de mucha utilidad, porque permite contar con información relevante para lograr diseños adecuados, tomando cuenta su funcionamiento ante la presencia de procesos geomorfológicos como erosión, sedimentación u otros fenómenos, a los que han estado sometidas. I.3.2. Alcantarillas. Se define como alcantarilla a la estructura cuya luz sea menor a 6.0 m y su función es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera. La densidad de alcantarillas en un proyecto vial influye directamente en los costos de construcción y de mantenimiento, por ello, es muy importante tener en cuenta la adecuada elección de su ubicación, alineamiento y pendiente, a fin de garantizar el paso libre del flujo que intercepta la carretera, sin que afecte su estabilidad. La ubicación óptima de las alcantarillas depende de su alineamiento y pendiente, la cual se logra proyectando dicha estructura siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que el incremento y disminución de la pendiente influye en la variación de la velocidad de flujo, que a su vez incide en la capacidad de transporte de materiales en suspensión y arrastre de fondo. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 23 En la proyección e instalación de alcantarillas el aspecto técnico debe prevalecer sobre el aspecto económico, es decir que no pueden sacrificarse ciertas características hidráulicas sólo con el objetivo de reducir los costos. Sin embargo, es recomendable que la ubicación, alineamiento y pendiente que se elija para cada caso, estará sujeta al buen juicio del especialista, quien deberá estudiar los aspectos hidrológicos, hidráulicos, estructurales y fenómenos de geodinámica externa de origen hídrico, para obtener finalmente la solución más adecuada compatible con los costos, operatividad, servicialidad y seguridad de la carretera. I.3.2.1. Elección del tipo de alcantarilla. Tipo y sección. Los tipos de alcantarillas comúnmente utilizadas en proyectos de son; marco de concreto, tuberías metálicas corrugadas, tuberías de concreto y tuberías de polietileno de alta densidad. Las secciones más usuales son circulares, rectangulares y cuadradas. En ocasiones especiales que así lo ameriten puede usarsealcantarillas de secciones parabólicas y abovedadas. En carreteras de alto volumen de tránsito y por necesidad de limpieza y mantenimiento de las alcantarillas, se adoptará una sección mínima circular de 0.90 m (36”) de diámetro o su equivalente de otra sección, salvo en cruces de canales de riego donde se adoptarán secciones de acuerdo a cada diseño particular. Las alcantarillas tipo marco de concreto de sección rectangular o cuadrada pueden ubicarse a niveles que se requiera, como colocarse de tal manera que el nivel de la rasante coincida con el nivel superior de la losa o debajo del terraplén. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 24 Generalmente, se recomienda emplear este tipo de alcantarillas cuando se tiene la presencia de suelos de fundación de mala calidad. Es importante instalar alcantarillas permanentes con un tamaño lo suficientemente grande como para desalojar las avenidas de diseño más los escombros que se puedan anticipar. En cauces naturales que presentan caudales de diseño importantes donde la rasante no permite el emplazamiento de una alcantarilla de dimensión considerable, se suelen colocar alcantarillas múltiples, sin embargo, este diseño debe tener en cuenta la capacidad de arrastre del curso natural (palizada, troncos y material de cauce) y su pendiente longitudinal para evitar obstrucciones, recomendándose utilizar obras con mayor sección transversal libre, sin subdivisiones. En el caso del proceso constructivo de tuberías para alcantarillas múltiples, se recomienda que la separación de los tubos, medida entre las superficies externas, deberá ser tal que facilite la compactación del material de relleno igual a la mitad del diámetro de la tubería con un máximo de 1.0 m y 0.4 m como mínimo. I.3.2.2. Materiales. La elección del tipo de material de la alcantarilla depende de varios aspectos, entre ellos podemos mencionar el tiempo de vida útil, costo, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno, resistencia a la corrosión, abrasión, fuego e impermeabilidad. En conclusión no es posible dar una regla general para la elección del tipo de material a emplear en la construcción de la alcantarilla, sino que además del tipo de suelo, del agua y principalmente de la disponibilidad de materiales en el lugar. I.3.2.3. Recomendaciones y factores a tomar en cuenta para el diseño de una alcantarilla. A continuación se presentan algunas recomendaciones prácticas y factores que intervienen para el diseño adecuado de una alcantarilla. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 25 a) Utilizar el período de retorno para el diseño. b) Para asegurar la estabilidad de la carretera ante la presencia de asentamientos provocados por filtraciones de agua, la alcantarilla debe asegurar la impermeabilidad. Asimismo, dentro de los factores se mencionan los siguientes: a) Como factores físicos y estructurales, tenemos: la durabilidad, altura de relleno disponible para la colocación de la alcantarilla, cargas actuantes sobre la alcantarilla y calidad y tipo de terreno existente. b) Dentro de los factores hidráulicos, tenemos: el caudal de diseño, pendiente del cauce, velocidad de flujo, material de arrastre, pendiente de la alcantarilla y rugosidad del conducto. c) Otros factores importantes que deben ser tomados en cuenta para la elección del tipo de alcantarilla, son la accesibilidad a la zona del proyecto y la disponibilidad de materiales para su construcción. I.3.2.4. Diseño hidráulico. El cálculo hidráulico considerado para establecer las dimensiones mínimas de la sección para las alcantarillas a proyectarse, es lo establecido por la fórmula de Robert Manning* para canales abiertos y tuberías, por ser el procedimiento más utilizado y de fácil aplicación, la cual permite obtener la velocidad del flujo y caudal para una condición de régimen uniforme mediante la siguiente relación. 𝑉 = 𝑅 2 3 ∗ 𝑆 1 2 𝑛 𝑅 = 𝐴 𝑃 DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 26 𝑄 = 𝑉𝐴 Dónde: Q: Caudal (m³/s). V: Velocidad media de flujo (m/s). A: Área de la sección hidráulica (m²). P: Perímetro mojado (m). R: Radio hidráulico (m). S: Pendiente de fondo (m/m). n: Coeficiente de Manning. Para sacar el coeficiente de Manning se toma de la tabla los valores del coeficiente de rugosidad de Manning (n). Robert Manning (1816-1897) fue un ingeniero Irlandés, conocido por la creación de la fórmula de Manning. Nació en Normandía, Francia un año después de la batalla de Waterloo, de la que su padre tomo parte.3Manning no recibió ninguna educación o entrenamiento formal acerca de la mecánica de fluidos o la ingeniería en general. Su experiencia en contaduría y su pragmatismo influenciaron su trabajo y lo condujeron a reducir problemas a su más simple forma. Comparó y evaluó siete de las mejores y más conocidas fórmulas de la época. Calculó la velocidad obtenida de cada fórmula para una pendiente dada y un radio hidráulico variable desde 0.25m hasta 30 metros. Entonces, para cada condición, encontró el valor principal de las siete velocidades y generó una fórmula que se ajustaba mejor a los datos obtenidos. 3 Historia de la mecánica de fluidos http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/historia/historiamcafluidossigloxix/historiamcasxix.html. http://es.wikipedia.org/wiki/Normand%C3%ADa http://es.wikipedia.org/wiki/Francia http://es.wikipedia.org/wiki/Batalla_de_Waterloo DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 27 La primera fórmula fue: V = 32 [RS(1 + R^(1/3)]^(1/2) Luego, la simplificó en la siguiente expresión: V =C R^x S^(1/2) En 1885, dio a la variable x un valor de 2/3 y reescribió su fórmula así: V = C R^(2/3) S^(1/2) En una carta que envió a Flamant, Manning indicó: «El inverso de “C” corresponde aproximadamente al inverso de “n”, tal como lo determinaron Ganguillet y Kutter. Siendo tanto “C” como “n” constantes para el mismo canal». El 4 de diciembre de 1889, a la edad de 73 años, propuso por primera vez su fórmula al Instituto de Ingenieros Civiles en Irlanda. Su fórmula vio la luz en 1891, en un periódico escrito por él mismo titulado “On the flow of water in open channels and pipes” (algo así como: “Sobre el flujo de agua en canales abiertos y tuberías”), publicado en Transactions (Revista del Instituto de ingenieros Civiles de Irlanda). Manning no estaba del todo satisfecho con su ecuación por 2 razones: primero, en esos días era ya de por sí difícil determinar la raíz cúbica de un número; además de eso, tener que elevarla al cuadrado para llegar al índice exponencial 2/3, hacía más difícil el cálculo. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 28 Adicionalmente, la ecuación era dimensionalmente incorrecta. Para corregirla dimensionalmente, desarrolló la siguiente ecuación: V = C * [(gS)^(1/2)]*[(R^(1/2)) + ((0,22/(m^(1/2))) * (R - 0,15m)) Donde “m” era igual a la “altura de la columna de mercurio que equilibra la atmósfera” y “C” era un número adimensional que varía con la naturaleza de la superficie. Sin embargo, en algunos libros de texto de finales del siglo XIX, la fórmula de Manning fue escrita como sigue: V = (1/n) R^(2/3) S^(1/2). A través de su libro "Handbook of Hydraulics" (“Manual de Hidráulica”), King (1918) impuso el uso masivo de la expresión propuesta por Manning tal cual la conocemos hasta hoy, tanto como la aceptación del coeficiente “C” de Manning como el inverso del coeficiente “n” de Kutter. En los Estados Unidos, “n” se refiere al coeficiente de rugosidad (fricción) de Manning, o la constante de Manning. En Europa, el coeficiente de Strickler “K” es el mismo “C” de Manning, dicho sea, el recíproco de “n”. La tabla 1.5. Presenta los valores del coeficiente derugosidad de Manning (n) (Ven Te Chow , 1983). DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 29 Tabla 1.5. Valores del coeficiente de rugosidad de Manning (n). Véase tabla completa en Anexo B. Fuente: (Ven Te Chow , 1983). DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 30 Se debe tener en cuenta la velocidad, parámetro que es necesario verificar de tal manera que se encuentre dentro de un rango, cuyos límites se describen a continuación. La tabla 1.6 presenta las velocidades máximas admisibles (m/s) en conductos revestidos. Tabla 1.6. Velocidades máximas admisibles (m/s) en conductos revestidos. TIPO DE REVESTIMIENTO VELOCIDAD (m/s) Concreto 3.0-6.0 Ladrillo con concreto 2.5-3.5 Mampostería de piedra y concreto 2.0 Fuente: (Máximo Villon Bejar, HCANALES). Se deberá verificar que la velocidad mínima del flujo dentro del conducto no produzca sedimentación que pueda incidir en una reducción de su capacidad hidráulica, recomendándose que la velocidad mínima sea igual a 0.25 m/s. Asimismo, se debe tener muy en cuenta la velocidad de flujo a la salida de la alcantarilla, generalmente esta velocidad es mayor que la velocidad de escurrimiento en el cauce natural y debe limitarse a fin de evitar procesos de socavación del cauce aguas abajo de la estructura y no afecte su estabilidad. La tabla 1.7. Velocidades máximas admisibles (m/s) en canales no revestidos. TIPO DE TERRENO FLUJO INTERMITENTE (m/s) FLUJO PERMANENTE (m/s) Arena fina (no coloidal) 0.75 0.75 Arcilla arenosa (no coloidal) 0.75 0.75 Arcilla limosa (no coloidal) 0.90 0.90 Arcilla fina 1.00 1.00 Ceniza volcánica 1.20 1.00 Grava fina 1.50 1.20 Arcilla dura ( coloidal) 1.80 1.40 Material graduado (no coloidal) Desde arcilla o grava 2.00 1.50 Desde limo a grava 2.10 1.70 Grava 2.30 1.80 Grava gruesa 2.40 2.00 Desde grava a piedras (<15cm) 2.70 2.10 Desde grava a piedras (>20cm) 3.00 2.40 Fuente: (Manual de Carreteras de California). DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 31 Consideraciones para el diseño. Material sólido de arrastre. La palizada, material sólido y hasta desperdicios arrojados a los cauces naturales y que son arrastrados por la corriente, son elementos muy perjudiciales si se acumulan en la alcantarilla e inciden en su comportamiento hidráulico. No solamente afecta a la alcantarilla, también afecta las zonas aledañas de la carretera. Consecuentemente, es importante que las carreteras cuenten con un programa de mantenimiento rutinario, a fin de identificar los sectores vulnerables, propensos de ser afectados por este fenómeno. Durante el diseño de la alcantarilla, se pueden adoptar todo tipo de medidas para evitar estos problemas, en primer lugar se puede evitar la acumulación de palizada y material sólido mediante la construcción de obras adicionales, como disipadores o cámaras especiales que permitan retener sólidos, desperdicios y ramas, para luego efectuar su limpieza. Otra alternativa es dejar pasar los sólidos, desperdicios y ramas mediante la construcción de alcantarillas de mayor sección hidráulica acorde al estudio puntualizado de la cuenca de aporte. Se recomienda en lo posible, no modificar la pendiente natural del curso de agua a lo largo de la alcantarilla. Las recomendaciones mencionadas anteriormente deben ser analizadas desde el punto de vista económico, ya que pueden: - Incrementar el costo de construcción, costo de obras adicionales, así como los costos por trabajos de limpieza y mantenimiento. En zonas de selva alta en donde las características físicas y geomorfológicas (típicas) sean: - Cauces encajonados, en V, inactivos o con flujo permanente de agua. - Pendientes entre 5% y 60%, es decir de medianas a fuertes. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 32 - Tipo de suelo: taludes y lecho de material granular, aluviales, coluviales, con matriz fina de arena y limos, gravas y gravillas; es decir vulnerables a erosión pluvial. - Tipo de vegetación, arbustica, en taludes. Estas características, indican que el flujo en los cauces, son flujos de barros, con posibles huaycos menores, debido a que el agua de la lluvia satura el material de los taludes incrementando la masa y reduciendo la cohesión de las partículas, y que son arrastrados con el agua. Así mismo, el caudal sólido es por lo menos 2 veces mayor que el caudal líquido, la velocidad, varía entre 2 y 10 m/s (Prochaska, Santi, 2008). Se puede considerar en forma práctica, para calcular el orden de magnitud de este caudal sólido, la siguiente fórmula: 𝑄𝑠 = 𝜌 ∗ 𝐴 ∗ 𝑉 Dónde: Q = Caudal sólido. 𝜌 = 2,650 kg/m³ (densidad promedio del material sólido). A = Área transversal del material sólido retenido. V = Velocidad aproximada del flujo sólido (2 m/s, conservador) (J. Casa franca). I.3.2.5. Borde libre. El borde libre en alcantarillas es un parámetro muy importante a tomar en cuenta durante su diseño hidráulico, por ello, las alcantarillas no deben ser diseñadas para trabajar a sección llena, ya que esto incrementa su riesgo de obstrucción, afectando su capacidad hidráulica. DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 33 Se recomienda que el diseño hidráulico considere como mínimo el 25 % de la altura, diámetro o flecha de la estructura. I.3.2.6. Socavación local a la salida de la alcantarilla. Si la velocidad del flujo a la entrada y particularmente a la salida de la alcantarilla es alta, puede producir procesos de socavación local que afecte su estabilidad, por ello, se recomienda la protección del cauce natural mediante la construcción de emboquillados de piedra, enchapado de rocas acomodadas u otros tipos de revestimientos, los cuales deberán extenderse hasta zonas donde la socavación local no tenga incidencia sobre la protección. Una medida para reducir la velocidad del flujo, es la construcción de aliviaderos de entrada y salida de la alcantarilla en forma escalonada con el objetivo de disipar la energía hidráulica. A continuación, se presenta la fórmula de Laushey que permite calcular el diámetro medio de los elementos de protección a la salida de alcantarillas en función de la velocidad del flujo. 𝑑50 = 𝑉2 (3.1𝑔) Dónde: 𝑑50: Diámetro medio de los elementos de protección (m). V: Velocidad media del flujo a la salida de la alcantarilla (m/s). g: Aceleración de la gravedad (m/s²). DRENAJE Y SUBDRENAJE DE CARRETERAS 34 I.3.2.7. Mantenimiento y limpieza. Las dimensiones de las alcantarillas deben permitir efectuar trabajos de mantenimiento y limpieza en su interior de manera factible. Es importante realizar estos trabajos con la finalidad que funcionen adecuadamente, tal como se ha previsto en el diseño. Es necesario efectuar un programa de mantenimiento que incluyan inspecciones antes y después de períodos lluviosos para comprobar el estado hidráulico estructural de la obra y obtener datos como marcas dejadas por las crecidas, acumulación de material, depósito de sedimentos, presencia de palizada, socavación de cauce y daños estructurales. Las inspecciones permitirán tomar las medidas correctivas que conlleven al planteamiento de soluciones, necesidad de nuevos diseños, reposiciones o construcción de obras adicionales. I.3.2.8. Abrasión. La abrasión es una acción mecánica de rozamiento que consiste en la erosión del material de la alcantarilla por la acción de sólidos flotantes transportados por el cauce natural. Este fenómeno depende del carácter y cantidad de material de arrastre, duración, frecuencia y velocidad del flujo. Es importante tomar en cuenta este fenómeno al momento de elegir el tipo de material del cual estará constituida la alcantarilla. I.3.2.9. Corrosión. La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia
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